Voici les principaux projets scientifiques sur lesquels je travaille: / Below are the main projects I am working on:
Projet ANR HYDRaTE– Distribution of HYdrogen in the protoplanetary Disk and deliveRy to the Terrestrial planEts / Distribution de l’Hydrogène dans le disque protoplanétaire et apports aux planètes telluriques
ERC Photonis (PI Bernard Marty). Fractionnement isotopiques des éléments légers et gaz rares dans le Système Solaire: approches expérimentales pour évaluer l’effet de l’ionisation des espèces gazeuses / Isotope fractionations of light elements and noble gases in the Solar System through experiments involving ionisations of gaseous species.
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♦ Formation et évolution de composés organiques dans le milieu interstellaire avec PICACHU / Formation and evolution of organic compounds in the interstellar medium with PICACHU
Principaux collaborateurs: Akira Kouchi, Shogo Tachibana, Tetsuya Hama, Hisayoshi Yurimoto.
PICACHU (Photochemistry in Interstellar Cloud for Astro-Chronicle in Hokkaido University) est le nom d’une expérience développé à l’Université d’Hokkaido pour simuler les conditions du milieu interstellaire et étudier l’évolution des composés organiques qui s’y forment.
Dans l’enceinte sous vide de PICACHU, un mélange de gaz simples (eau, méthanol, ammoniac) se condense sur une surface refroidie à environ 10K (-263°C). Ces gaz condensés sont irradiés par des rayons ultraviolets (UV) provoquant des réorganisations chimiques et la formation de composés organiques plus complexes.
Chambre principale de l’expérience PICACHU avec 3 lampes UV (parties allongées noires) et 3 connections pour l’arrivée des gaz.
Nous étudions en particulier l’évolution morphologique et les propriétés physiques de la glace et des résidus organiques lors de modifications de température et lors d’irradiation supplémentaire par UV (Piani et al., 2017).
Cette expérience fait partie d’un projet interdisciplinaire Japonais intitulé « Evolution des molécules dans l’espace » et dirigé par le Prof. Akira Kouchi (site en anglais et japonais).
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The laboratory experimental apparatus PICACHU (Photochemistry in Interstellar Cloud for Astro-Chronicle in Hokkaido University) was recently developed to simulate the formation and evolution of organic ice through UV irradiation and heating under interstellar medium (ISM) conditions.
A mixture of simple gases (H2O, CO, NH3, CH3OH) is deposited onto a refrigerated substrate (~10K or -263°C) and simultaneously irradiated by UV under ultra-high vacuum.
Main chamber of the PICACHU apparatus with 3 UV lamps (black parts) et 3 connections for the entrance of gases.
We are studying the morphologies and physical properties of ice and organic residues with temperature change and UV-photoprocessing (Piani et al., 2017).
This project is part of the Japanese interdisciplinary project « Evolution of molecules in space » led by Prof. Akira Kouchi.
♦ Origine de l’eau et de la matière organique des météorites / Origin of water and organic compounds in meteorites
Principaux collaborateur: Laurent Remusat, François Robert, Hisayoshi Yurimoto.
Les origines de l’eau et de la vie sur Terre sont liées à celles des éléments majeurs qui les composent: l’hydrogène, le carbone et l’azote. Les caractéristiques chimiques et isotopiques des phases porteuses de ces éléments dépendent des conditions physico-chimiques dans lesquelles elles se sont formées tout au long de l’évolution de notre Système Solaire et de la formation planétaire.
Certaines météorites primitives contiennent des quantités non négligeables de matière organique (composés carbonés plus ou moins complexes) et de minéraux hydratés. Ces phases sont les vestiges de l’eau et des composés organiques initiaux de notre Système Solaire en formation. Par rapport à la composition du Soleil, on trouve dans ces phases des enrichissements en isotopes lourds de l’azote et de l’hydrogène (deutérium). S’il est probable que certains de ces enrichissements soient liés à des réactions de basses températures (ion-molécules) dans le milieu interstellaire (cf. expérience PICACHU) ou dans le disque protoplanétaire, il est encore difficile d’évaluer à quel point ces signatures ont pu être modifiées sur le corps parent astéroïdal d’où les météorites sont issues.
La météorite Orgueil, tombée en France en 1864, est la chondrite carbonée la plus riche en eau (environ 12 % poids). Sa composition chimique est très similaire à celle du Soleil.
Par des mesures en sondes ioniques (SIMS IMS-1280 à l’université d’Hokkaido et NanoSIMS au MNHN), nous étudions les signatures isotopiques et chimiques de la matière organique et de l’eau dans différents types de météorites primitives: chondrites à enstatite (Piani et al., 2012), chondrites ordinaires (Piani et al., 2015; Remusat, Piani and Bernard, 2016) et chondrites carbonées (Piani et al., 2015 et étude en cours) dans le but de connaître leurs origines.
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Determining the source(s) of hydrogen, carbon and nitrogen accreted by the Earth is essential for understanding the origins of water and life, and for constraining the chemical and dynamical processes that operated during Solar System evolution and planet formation.
Some primitive meteorites contain a significant amount of organic matter and hydrated minerals, which are the remnants of the initial organic compounds and water of our Solar System. They contain systematic but variable enrichments in the heavy isotopes of hydrogen (deuterium) comparing to the Sun. Although at least a part of these enrichments argue for low temperature ion-molecule reactions in the protoplanetary disk or in the molecular cloud, it is unclear how these isotopic signatures might have been modified by chemical reactions (kinetic fractionation or isotope exchanges) occurring on the asteroidal parent body.
The Orgueil meteorite fallen in France in 1864 is the carbonaceous chondrite with the biggest amount of water (about 12 weight %). Its chemical composition is very similar to the one of the Sun.
By using ion microprobes (SIMS IMS-1280 at Hokkaido University and NanoSIMS at MNHN Paris), we are investigating the isotopic signature of organic matter and hydrated mineral in different types of primitive meteorites: enstatite chondrites (Piani et al., 2012), ordinary chondrites (Piani et al., 2015; Remusat, Piani and Bernard, 2016) and carbonaceous chondrites (Piani et al., 2015 and current study).
♦Formation des sulfures et oxydes métalliques des chondres / Formation of sulfides and metallic oxides in chondrules
Principaux collaborateur: Yves Marrochi, Guy Libourel, Laurent Tissandier, Maxime Clément, Shogo Tachibana et Megumi Mori.
Les chondres sont les composants les plus abondants de la plupart des chondrites. Ce sont des billes sub-millimétriques contenant principalement des silicates (olivines, pyroxynes), du métal (Fe-Ni) et du verre silicaté. Les chondres contiennent aussi quelques pour-cents de soufre principalement sous forme de sulfures de fer. La présence de ces sulfures est intrigante puisque le soufre est un élément très volatil qui devrait être perdu lors de la formation des chondres à haute température (> 1500°C).
L’étude des propriétés texturales, chimiques et isotopiques des sulfures et des minéraux avec lesquels ils sont associés permet d’élargir les connaissances sur les conditions de formations de ces sulfures et, in fine, sur les conditions de formation des chondres dont les détails sont encore à ce jour mal connus.
Dans les chondres des chondrites carbonées de type CV, le verre des chondres contient lui aussi du soufre et tout semble indiquer que les sulfures se sont formés à haute température dans un environnement gazeux riche en soufre (Marrocchi & Libourel, 2013). De plus, la présence de magnétites d’origine magmatique associées à ces sulfures implique que les chondres des chondrites CV se sont formés dans un environnement riche en oxygène, peut-être résultant d’une collision entre des planétésimaux contenant de la glace (Marrocchi et al., 2016).
Les chondres des chondrites à enstatite EH contiennent différents type de sulfures (de fer, de calcium, de magnésium) et une plus grande quantité de soufre dissout dans la mésostase (3000 ppm en moyenne). Suite aux observations pétrographiques et chimiques que nous avons faites, il semble que des processus haute-température soient également à l’origine des sulfures des chondres de ces chondrites (Piani et al., 2016).
Chondre contenant des sulfures de fer (troilite, en jaune), de calcium (oldhamite, en violet) et de magnésium-manganèse (niningérite, en orange), chondrite à enstatite Sahara 97096 (EH3).
Des expériences en ampoules scellées sont en cours au CRPG pour comprendre comment se passent les interactions entre gaz soufré et silicates à haute température (travail de Master de Maxime Clément et étude en cours). Une autre étude expérimentale s’intéressant aux assemblages métal-sulfures des chondres est également menée à l’Université d’Hokkaido pour remonter aux vitesses de refroidissement des chondres dans les gammes de températures plus basses que celles de cristallisation des silicates (Projet Sakura CNRS-JSPS, S. Tachibana & Y. Marrocchi, thèse de M. Mori).
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Chondrules are the major components of most chondrites. Chondrules correspond to sub-millimeter-sized spheres containing silicates (olivines, pyroxenes), Fe-Ni metal and glass. Chondrules also contain some percents of sulfur mainly as iron-sulfides. The presence of such an amount of sulfur is intriguing because sulfur should have been evaporated under the high-temperature conditions (> 1500°C) of the chondrule formation.
Using the textural, chemical and isotopic properties of sulfides and associated phases, we aim at constraining the sulfide formation conditions and so, obtaining new clues on the chondrule formation process(es).
In the CV-type carbonaceous chondrites, the glassy mesostasis also contains sulfur. Fe-sulfides in chondrules are spatially associated with pyroxene in the border of chondrules. Marrocchi & Libourel (2013) have shown that the textures and chemical compositions of sulfides and mesostasis argue for a high-temperature origin of sulfides formed in a sulfur-rich surrounding gas. Magnetites associated to the Fe-sulfides in CV chondrules have also been shown to be magmatic implicating that CV chondrule formation happened under oxidized conditions, potentially driven by ice-rich planetesimal collisions (Marrocchi et al., 2016).
In EH enstatite chondrites, chondrules contain different types of sulfides (iron-, calcium- and magnesium-sulfides) and a S-rich mesostasis (about 3000 ppm in average). Our petrographic and chemical observations indicate that sulfides in these meteorites also seem to be formed by an high-temperature process (Piani et al., 2016).
Chondrule with Fe-sulfides (troilite, in yellow), Ca-sulfides (oldhamite, in purple) and Mg-Mn-sulfides (niningerite, in orange) in the enstatite chondrite Sahara 97096 (EH3).
High-temperature experiments in sealed tubes are on-going at CRPG and Hokkaido University to investigate the interactions between silicates and S-rich gas (e.g. Master thesis of Maxime Clément, Projet Sakura CNRS-JSPS S. Tachibana & Y. Marrocchi) and chondrule cooling rate(s) using the metal-sulfide textures (PhD of Megumi Mori, Sakura Projet CNRS-JSPS).
Laurette Piani 